Macromolecole Biologiche, lipidi e proteine

Le macromolecole biologiche sono costituite da diversi elementi, in particolare gli atomi che rappresentano la chimica del carbonio sono i più rappresentativi, tra cui il carbonio, l’ossigeno, l’idrogeno, il fosforo e l’azoto, ma sono presenti anche altri elementi meno rappresentativi ma non meno importanti quali calcio, potassio, sodio e magnesio che rientrano in queste molecole.

I composti organici sono formati da atomi di carbonio legati covalentemente tra loro, formando lo scheletro delle molecole importanti dal punto di vista strutturale e funzionale all’interno della cellula. Queste molecole sono dei polimeri formati da un insieme indefinito di monomeri, che danno origine ad una gamma infinita di molecole più grandi.


La sintesi dei polimeri avviene con reazioni di condensazione (che richiedono sempre energia) mentre la degradazione dei polimeri avviene con reazione d’idrolisi, con enzimi diversi che catalizzano per le due reazioni.

 

I Carboidrati

Partendo ad analizzare i composti organici, vediamo i carboidrati: i monosaccaridi sono le unità più semplici, che contengono da 3 a 6 atomi di carbonio. La gliceraldeide è lo zucchero più semplice, il ribosio ed il desossiribosio sono gli zuccheri che appartengono alla struttura del RNA e del DNA, mentre il glucosio, il galattosio ed il fruttosio sono le principali fonti energetiche per la cellula.
Durante la respirazione cellulare il glucosio è ossidato a CO2 con la produzione di molecole di ATP, mentre viene anche utilizzato per la sintesi degli acidi grassi e degli amminoacidi, per questo è molto importante il livello di glicemia nel sangue, che non deve scendere o salire a certi livelli, l’insulina ed il glucagone agiscono infatti in modo opposto per regolare la glicemia nel sangue.

I disaccaridi sono polimeri formati da due monosaccaridi, uniti da un legame glicosidico, mentre tra i polisaccaridi vegetali annoveriamo l’amido, un carboidrato di riserva in cui le unità di glucosio sono legate da legami 1,4-α-glicosidici che si continuano in unità di amilosio mentre sono presenti anche unità di amilopectina in cui le molecole di glucosio si ramificano, con anche legami 1,6-α-glicosidici.
L’uomo e i vegetali possiedono gli enzimi α-1,4-glicosidasi per utilizzare l’amido come nutriente. Il glicogeno è una forma di deposito del glicogeno negli animali, attraverso i processi metabolici siamo in grado di mobilizzare il glicogeno per poi in caso di necessità liberare molecole di glucosio, ad esempio in seguito ad un intenso lavoro muscolare o dal fegato il condizioni di digiuno.

Nel glicogeno abbiamo gli stessi legami che legano il glucosio dell’amido, ma la struttura è più ramificata e con più monomeri di glucosio. La cellulosa è un carboidrato polimerico strutturale delle piante, in cui le molecole di glucosio sono unite linearmente da legami 1,4-β-glicosidici. Noi non possediamo l’enzima β-1,4-glicosidasi, la cellulosa rimane così indigerita, ha solo un effetto lassativo.

Sono importanti nel nostro organismo anche gli amminozuccheri, tra cui la galattosammina nelle cartilagini e la chitina che forma lo scheletro di diversi insetti, le glicoproteine, proteine di membrana con funzione di adesione, protezione e riconoscimento di particolari molecole, fanno parte del muco e di molecole secrete, oppure possono essere fattori di crescita, ovvero fattori proteici che stimolano la crescita e la proliferazione delle cellule, ognuno specifico per un tipo cellulare, mentre i glicolipidi sono importanti come funzione di adesione e riconoscimento cellulare.

 

I lipidi

Sono molecole solubili solamente in solventi apolari, ed hanno un’importante funzione nutritizia, strutturale e segnalatoria. I trigliceridi sono triesteri del glicerolo, sono i lipidi più abbondanti e forniscono più del doppio di energia di una stessa quantità di carboidrati. I fosfolipidi sono lipidi anfipatici, avente una testa polare e due code polari, possono presentarsi sia in ambiente polare che apolare, orientabili nell’ambiente. Questa struttura permette ai fosfolipidi di orientarsi a formare un doppio strato fosfolipidico, che è la struttura portante delle membrane biologiche, all’inizio dei tempi i primi composti che si formarono furono gli acidi nucleici, che casualmente si formarono per poi raggrupparsi in compartimenti chiusi dati dall’associazione di fosfolipidi che tendono a richiudersi in un doppio strato lipidico. I carotenoidi sono pigmenti arancioni, gialli e verdi, importanti per la fotosintesi, tipo la clorofilla. Sono composti da unità isopreniche che reagiscono all’energia luminosa del sole modificando la loro conformazione, che nel caso della fotosintesi permette la sintesi di glucosio, mentre nel caso del β-carotene è permessa la trasmissione dell’impulso luminoso, il composto viene infatti convertito a vitamina A e a retinale, un pigmento visivo presente in tutti gli animali che hanno gli occhi, una molecola fotosensibile presente nell’uomo all’interno dei coni e dei bastoncelli in dischi membranosi, che una volta illuminati dalla luce permettono al retinale di cambiare conformazione, in modo che l’impulso elettrico venga trasmesso agli assoni di dei neuroni che lo portano al cervello dove viene elaborato il messaggio. Gli steroli sono costituiti da unità isopreniche che vanno a costituire atomi di carbonio disposti in quattro anelli, che danno origine alle diverse molecole della famiglia che hanno diversi gruppi laterali. Tra questi composti individuiamo il colesterolo, i sali biliari, gli ormoni sessuali e gli ormoni corticosurrenalici, che hanno in particolare una funzione strutturale e di comunicazione di segnali.

 

 Le proteine

Sono le macromolecole più versatili del nostro organismo, ed hanno diverse funzioni: hanno un ruolo enzimatico, una funzione strutturale (tipo il collagene), una funzione di riserva (tipo l’albumina nell’uovo), sono molecole trasportatrici, di regolazione (controllano l’espressione di specifici geni, sono fattori trascrizionali nel senso che interagiscono con le sequenze regolatrici dei geni chiamati promotori, regolando l’espressione genica), inoltre possono essere proteine di movimento e proteine di difesa. Le unità strutturali delle proteine sono gli AMMINOACIDI, che vengono sintetizzati tutti dalle piante e dai batteri, mentre gli animali sono in grado di sintetizzarne solo alcuni, gli amminoacidi essenziali devono invece essere introdotti con la dieta.

Le proteine possono assumere diverse orientazioni nello spazio, in particolare si parla di una struttura primaria che rappresenta la sequenza lineare amminoacidica, la quale determina poi le diverse organizzazioni superiori della proteina, si passa poi ad una struttura secondaria che è rappresentata da una struttura ad α-elica ed a β-foglietto, stabilizzate da legami idrogeno, mentre la struttura terziaria è formata dalle interazioni deboli che s’instaurano nella proteina ed i legami covalenti (tipo i legami disolfuro) che stabilizzano la struttura, mentre la struttura quaternaria fa riferimento a proteine multimeriche i cui monomeri interagiscono tra loro con interazioni particolari, come l’emoglobina, la proteina anticorpale ed il collagene.

La giusta conformazione della proteina determina una corretta funzione della proteina, in particolare i DOMINI FUNZIONALI sono regioni che hanno una specifica funzione che fanno riferimento ad una particolare conformazione proteica, indotta dalla sequenza primaria. Un cambiamento di un amminoacido a livello della sequenza primaria può provocare cambiamenti importanti a livello della proteina, come nell’anemia falciforme, dove il globulo rosso per il cambiamento di un amminoacido non è più idrosolubile, viene così eliminato dagli organi emocateretici, si ha così una diminuzione degli eritrociti nel sangue.

 

Gli Acidi Nucleici

Sono macromolecole che trasmettono l’informazione ereditaria e determinano quali proteine debbano essere sintetizzate dalla cellula. Il DNA è il materiale che costituisce i geni e contiene le informazioni per sintetizzare gli RNA e le proteine di tutto l’organismo, mentre gli RNA sono di vario tipo e di diversa funzione, si parla di mRNA, tRNA, rRNA e snRNA, ovvero small nuclear RNA, sequenze nucleotidiche che permettono la maturazione del RNA messaggero, intervengono cioè nel processo di splicing ed anche nei processi di regolazione genica. Questi acidi nucleici sono polimeri di nucleotidi, strutture formate da uno zucchero a cinque atomi di carbonio, una base azotata (purina A-G o pirimidina T-U-C) ed un gruppo fosfato. Questi nucleotidi si legano con legami fosfodiesterei, con il fosfato che si lega alternativamente allo zucchero in posizione 3′ e 5′.

Altri nucleotidi importanti nel nostro organismo sono rappresentati dall’ATP, formato da un ribosio, dall’adenina e da uno a tre gruppi fosfato che possono legarsi tra loro, che rappresenta la forma d’energia assimilabile nel nostro corpo, come il GTP, mentre il cAMP si forma dall’ATP ed è una molecola segnalatrice, media ad esempio l’effetto di alcuni ormoni come il glucagone.

La struttura del DNA fu enunciata dal 1953 dagli studiosi Watson e Crick, che teorizzarono sulla base anche di altre teorie enunciate da altri scienzati (Franklin attraverso la diffrazione a raggi X riuscì a determinare le distanze tra gli atomi e la disposizione delle molecole, con misure che si ripetevano all’interno della struttura, mentre Chargaff aveva visto che all’interno degli organismi il rapporto A/T ed il rapporto C/G è quasi uguale a 1, con il numero di purine che è dunque uguale al numero delle pirimidine) la struttura del DNA, in modo che potesse portare l’informazione genetica e funzionare da stampo per la sua duplicazione. I nucleotidi si legano a partire da un estremità 3′ libera da legami fino all’ultimo nucleotide in cui è libera da legami l’estremità 5′, attraverso una struttura che ricorda i montanti di una scala, in cui i pioli sono costituiti dalle basi azotate. Il periodo della struttura è di 3,4 nm, in cui sono presenti dieci basi azotate, mentre il diametro della struttura è di 2 nm. Le due catene hanno una direzione opposta, se infatti non l’avessero non potrebbero appaiarsi in quella unica maniera possibile che vede la larghezza della doppia elica di 2 nm e la formazione di tre legami idrogeno tra citosina e guanina e di due legami idrogeno tra adenina e timina. Queste regole rappresentano le leggi di complementarietà delle basi e dei due filamenti elicoidali, che grazie a questo sistema caratterizzano ogni gene molto specificatamente.

Per quanto riguarda gli RNA, essi sono tutti sintetizzati dal DNA nucleare (a parte un numero limitato di geni mitocondriali che danno origine ad RNA mitocondriali) e sono copiati attraverso il processo di trascrizione: gli mRNA codificano per le proteine, i tRNA fungono da adattatori tra il RNA-messaggero e gli amminoacidi, il rRNA fa parte della struttura ribosomiale mentre gli small-RNA agiscono nello splicing del mRNA e nella regolazione dell’espressione genica.

I processi che fanno riferimento all’ottenimento di una proteina da un gene partono dalla trascrizione del mRNA a livello del DNA, che poi viene matuato secondo diversi processi, esce nel citoplasma e si lega ad altri RNA per svolgere la funzione di sintesi della catena polipeptidica.

Per quanto riguarda la maturazione della molecola di mRNA, essa viene trascritta a partire dal DNA non come molecola funzionante ma come molecola precursore, che deve subire modificazioni per arrivare alla forma matura: un unità trascrizionale è formata a monte (5′) da una sequenza nucleotidica detta promotore, una sequenza di DNA che non viene trascritta, ma che regola l’espressione del gene presente a valle, al suo 3′. Ogni gene ha il suo promotore specifico. Questo promotore viene attivato o inattivato da fattori trascrizionali che si legano a particolari sequenze del promotore e lo possono attivare, con conseguente attivazione dell’espressione del gene al suo 3′, oppure inibire.
Per i geni inducibili ci devono essere delle induzioni particolari a livello del promotore per attivare la trascrizione, poi successivamente l’mRNA viene trascritto ad opera della RNA-polimerasi, ma prima che esca nel citoplasma viene modificato. Ad un’estremità (5′) viene posto un cappuccio di 7-metil-guanosina, un importante segnale di riconoscimento per il ribosoma, poi segue una sequenza leader che fa parte della sequenza del RNA-messaggero, mentre all’altro terminale segue una coda poli-A, che serve all’RNA per non essere attaccato dalle ribonucleasi, inoltre questa coda poli-A media il trasporto dell’RNA dal nucleo al citoplasma.
Prima di uscire dal nucleo la sequenza ribonucleica va incontro al fenomeno dello splicing, mediato dagli sRNA, che rimuovono le sequenze nucleotidiche non codificanti dette introni, in modo che i tratti codificanti detti esoni siano tutti uniti tra loro. Si forma così il RNA-messaggero maturo, che verrà ora esportato nel nucleo.
I Ribosomi
Sono particelle ribonucleoproteiche formate da RNA ribosomiale e proteine, prodotte dal nucleolo, in cui sono contenute le sequenze del DNA codificanti per i ribosomi, si parla di una zona cromosomica che codifica per l’RNA ribosomiale, dove l’RNA ribosomiale viene prodotto a livello di questa zona ed assemblato con le proteine ribosomiali, prodotte nel citoplasma e tornate poi indietro, formando una subunità globale che per il coefficiente di sedimentazione vale 40 S + 60 S = 80 S.

L’RNA-transfert interviene nel legare l’amminoacido e nel mediare il trasporto dell’amminoacido al ribosoma. Hanno una struttura secondaria a trifoglio, in cui l’estremità 3’OH lega l’amminoacido, mentre sull’ANSA 2 vediamo la struttura dell’anticodone, la sequenza complementare delle triplette facenti parte degli RNA-messaggeri, che sono in grado di complementarsi e di trasportare gli amminoacidi giusti nella struttura ribosomiale per creare la catena proteica.